X ENS Physique B PC 2016Sujet, corrigé et rapport du jury
- Mécanique du point : chute avec frottement, nombre de Reynolds
- Bilan de quantité de mouvement et force exercée par un écoulement
- Distribution statistique et probabilités appliquées à un phénomène physique
- Mécanique des fluides et ondes : instabilité de Rayleigh-Plateau, vitesse de phase
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Présentation du sujet
DifficilePhysique des gouttes : impact mécanique de la pluie sur un pare-brise et instabilité de Rayleigh-PlateauAfficher ou masquer la section
Présentation du sujet
DifficileLe sujet étudie deux aspects indépendants de la physique des gouttes d'eau. La première partie détermine la trajectoire de chute d'une goutte de pluie puis la force exercée par la pluie sur le pare-brise d'un avion, en tenant compte de la distribution de taille des gouttes. La seconde partie étudie la formation de gouttes à partir d'un filet d'eau par l'instabilité de Rayleigh-Plateau, d'abord par une approche statique puis dynamique.
- 1Partie I : impact mécanique de la pluiepremière annéeDéterminer la trajectoire de chute d'une goutte puis calculer la force exercée par la pluie sur le pare-brise d'un avion en modélisant la distribution de taille des gouttes.
- 2Partie II : instabilité de Rayleigh-PlateauÉtudier la déstabilisation statique puis dynamique d'un filet d'eau en chute libre, identifier le mode le plus instable et étudier la perturbation induite par l'impact du jet sur un obstacle.
Difficile. Le rapport indique une moyenne de 8,18/20 avec un écart-type de 3,42, plus de la moitié des candidats se situant sous 8/20, et signale que la dernière partie du sujet, plus délicate, n'a été traitée de façon satisfaisante que par une poignée de candidats.
L'épreuve en chiffres
Moyenne 8,18 / 20 · écart-type 3,42 · 1 327 copies · où vous situez-vous ?Afficher ou masquer la section
L'épreuve en chiffres
- Moyenne
- 8,18/ 20
- Écart-type
- 3,42
- Copies
- 1 327
Votre note sur 20 à ce sujet, en conditions de concours.
Source : rapport du jury. Notes publiées par le concours (après harmonisation le cas échéant). Courbe : estimation par une loi normale.
Ce qu'a observé le jury
5 erreurs relevéesDéfinition du nombre de Reynolds mal maîtrisée · Applications numériques sans unité · Confusion entre principe fondamental de la dynamique et équation de Navier-StokesAfficher ou masquer la section
Ce qu'a observé le jury
5 erreurs relevéesLe jury décrit un sujet très complet et relativement long, faisant la part belle aux ordres de grandeur et aux discussions physiques, qui a permis de classer efficacement les candidats. La première partie, ancrée sur le cours de première année, a favorisé les candidats capables d'articuler les questions entre elles, tandis que la seconde partie, plus délicate, a été peu réussie dans son ensemble.
Les erreurs les plus sanctionnées
- 1Définition du nombre de Reynolds mal maîtriséeQ1b
Un nombre important de candidats ne connaît pas la définition du nombre de Reynolds, certains le construisant avec la tension de surface de l'eau ou en confondant viscosité cinématique et dynamique.
« cette question a posé de plusieurs »
- 2Applications numériques sans unitéQ2d, Q3b, Q5a, Q5d, Q14a
De nombreuses applications numériques sont données sans unité ou sans justification, ce qui ne rapporte aucun point selon le barème.
« les applications numériques non justifiées ou qui ne présentent pas »
- 3Confusion entre principe fondamental de la dynamique et équation de Navier-StokesQ1d
Un nombre non négligeable de candidats utilise l'équation de Navier-Stokes à la place du principe fondamental de la dynamique appliqué à la goutte.
- 4Vitesse de phase mal interprétéeQ15b
De nombreux candidats affirment à tort que la vitesse de phase doit être nulle, ce qui traduit une question mal réussie dans l'ensemble.
« On lit souvent que la vitesse de phase doit être nulle. »
- 5Liens entre questions d'une même partie négligésQ12b, Q13b
Un manque de cohérence est observé entre certaines réponses successives, alors que les questions d'une même partie sont conçues pour guider et aider les candidats.
« Il est important de faire le lien entre les »
Ce qui a été bien réussi
- La question Q1a a été très bien réussie dans l'ensemble.
- Les questions Q3c, Q4a, Q6a, Q7b et Q7c ont été bien réussies dans l'ensemble.
- L'ordre de grandeur proposé à la question Q5a est en général cohérent, même si souvent un peu sous-estimé.
- Le phénomène moteur de la question Q13c est en général identifié avec succès.
Conseils du jury
- Apporter un minimum de soin à la rédaction des copies et éviter les passages difficilement lisibles ou les applications numériques indéchiffrables.
- Toujours vérifier l'homogénéité et la dimension d'un résultat avant de le proposer, ce qui permet d'éviter de nombreuses erreurs de calcul ou d'inattention.
- Justifier systématiquement les applications numériques en précisant la formule littérale utilisée et les valeurs des grandeurs impliquées.
- Respecter la numérotation des questions et éviter d'utiliser des effaceurs, les copies étant numérisées pour la correction.
Synthèse rédigée par WikiPrépa à partir du rapport officiel du jury (à télécharger en PDF). Les citations sont extraites du rapport.
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ÉCOLE POLYTECHNIQUE - ÉCOLES NORMALES SUPÉRIEURES ÉCOLE SUPÉRIEURE DE PHYSIQUE ET DE CHIMIE INDUSTRIELLES
FILIÈRE PC
COMPOSITION DE PHYSIQUE - B - (XEULC)
Intégrale généralisée :
(Durée : 4 heures)
Les résultats des applications numériques seront donnés avec un chiffre significatif.
Histoires d'eau ou quelques aspects de la physique des gouttes
Introduction.
Notation et données.
I Impact mécanique de la pluie.
I.A Chute d'une goutte d'eau.
- a) Sur la base de sa propre expérience, proposer un ordre de grandeur du rayon d'une goutte d'eau de pluie et celui de sa vitesse de chute.
b) Calculer le nombre de Reynolds correspondant. En déduire la nature du régime de l'écou- lement de l'air autour de la goutte.
Nous considérerons que l'écoulement demeure dans ce régime durant toute la chute d'une goutte.
c) Établir le bilan des forces qui s'exercent sur une goutte, lors de sa chute. Préciser leur expression.
d) Établir que la vitesse de chute de la goutte est régie par l'équation différentielle :
2. a) Déterminer la solution de l'équation différentielle (4) en considérant que la goutte quitte le nuage avec une vitesse négligeable devant
b) Esquisser l'allure de l'évolution
c) À partir du tracé précédent, définir une distance caractéristique
d) Calculer les valeurs numériques de
I.B Effort mécanique.

3. a) Exprimer
b) Calculer la valeur numérique de
c) En déduire la distance moyenne
4. Nous considérons d'abord le cas d'un avion immobile sur l'aérodrome.
a) Représenter, sur un schéma, le domaine de précipitation (atmosphère et gouttes) intercepté par le pare-brise entre les instants
b) Exprimer la force
c) Calculer l'intensité de cette force.
5. Nous considérons maintenant un avion volant à la vitesse
a) Donner un ordre de grandeur de
b) En se plaçant dans un repère lié à l'avion, représenter, sur un schéma, le domaine de précipitation (atmosphère et gouttes) intercepté par le pare-brise, entre les instants
c) En déduire l'expression de la force
d) Donner l'ordre de grandeur de la force correspondante.
I.C Distribution du rayon des gouttes.
La différentielle
6. Quelques propriétés de la distribution de rayon.
a) Exprimer
b) Comparer les probabilités
c) Exprimer le rayon moyen
7. Nous définissons la grandeur différentielle suivante :
b) Esquisser l'allure graphique de la grandeur
c) Préciser le rayon des gouttes dont la contribution à la masse totale (par unité de volume) est la plus importante.
d) Exprimer la masse moyenne
e) Commenter la comparaison de
8. L'expression de la force obtenue à la question (5c) s'écrit sous la forme :
a) Exprimer la force
b) Exprimer le rapport
c) Conclure sur l'effet mécanique de la pluie. Le comparer à celui correspondant au maintien en pression de l'habitacle de l'avion.
9. La figure (2) présente des relevés météorologiques de la distribution du rayon des gouttes.

b) Pour le plus faible régime de précipitation, que l'on désignera en justifiant sa sélection, déduire de la figure (2) les valeurs (approximatives) de
c) Dans ce même régime, donner la valeur numérique du rayon moyen
d) Parmi les relations exprimant le nombre total de gouttes
II Formation des gouttes - Instabilité de Rayleigh-Plateau.
II.A Approche statique.

- a) Considérons une portion de longueur
L d'un cylindre d'eau, de rayonR_0(R_0≪L) , dans l'air (voir figure (3)). Exprimer l'énergie de surfaceE_0 du cylindre en fonction deγ, R_0 etL .
b) Après sa déstabilisation, le cylindre a forméN gouttes sphériques de rayonr (figure (3)). Exprimer l'énergie de surfaceE_N de l'ensemble de ces gouttes, en fonction deγ, N etr .
c) À quelle condition, portant surr , la situation en chapelet est-elle énergétiquement la plus favorable? Analyser ce résultat. - Si l'approche précédente permet de justifier qu'une instabilité est susceptible d'apparaître, elle ne décrit toutefois pas l'évolution continue conduisant du filet d'eau (
R_0, L ) au chapelet de gouttelettes (N, r ). Nous considérons alors que le rayonR du filet d'eau est modulé harmoniquement autour de sa valeur moyenne⟨R⟩ (voir figure (3)) :
a) Établir la relation liant
b) À l'ordre le plus bas en
II.B Approche dynamique.
La relation de dispersion correspondante, établie dans la limite du régime non visqueux, s'écrit :
- a) Indiquer les plages de longueur d'onde sur quelles la pulsation
ω_– est réelle, ou imaginaire.
b) Dans chacune de ces situations, décrire l'évolution temporelle d'une pertubation. - La figure (4) représente les fonctions
f_±(K) = ± K√(1 − K^2) etg_±(K) = ± K√(K^2 − 1) .

b) Situer, sur la figure reproduite, en le justifiant, l'abscisse
c) Identifier les phénomènes moteur et frein en concurrence et à l'origine de ce temps caractéritique.
d) Calculer les valeurs numériques de
e) Dans le cas d'une onde progressive, indiquer comment lire sur le graphique la vitesse de phase. Exprimer cette vitesse dans la limite

II.C Instabilité d'un filet d'eau en chute libre.
14. a) Estimer la valeur de la vitesse
b) En s'appuyant sur la photographie (5-a), remonter à un ordre de grandeur de l'amplitude
15. La photographie (5-b) illustre une situation différente où il apparaît une ondulation de la surface du filet (visible sur sa partie inférieure). Cette ondulation est causée par l'impact du filet sur un obstacle (une bille) qui perturbe son écoulement. Pour ce régime particulier, l'onde paraît figée (dans le référentiel du laboratoire).
a) Préciser dans quel régime,
b) Quelle information, sur la vitesse de phase, l'apparence figée de l'onde donne-t-elle?
c) Mesurer, sur la photographie (5-b), la longueur d'onde sélectionnée et calculer le produit
d) Calculer alors la vitesse de phase correspondante et la comparer à celle qui a été, par ailleurs, déjà calculée.
e) La photographie (5-c) montre l'onde de surface pour une autre position de l'obstacle. En révisant les hypothèses adoptées, expliquer pourquoi la longueur d'onde observée diffère de la précédente.
f) On constate que les ondes s'atténuent en s'éloignant de l'obstacle. Quelle pourrait en être l'origine physique?
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- On observe un phénomène analogue de fragmentation lorsqu'un filet d'eau s'écoule sur une vitre ou lorsque la rosée forme des perles sur une toile d'araignée.
Questions fréquentes
4 questionsSur quels chapitres porte le sujet de physique B PC 2016 X-ENS ?Afficher ou masquer la section
Questions fréquentes
4 questionsSur quels chapitres porte le sujet de physique B PC 2016 X-ENS ?
Le sujet porte sur la mécanique du point (chute d'une goutte, nombre de Reynolds), un bilan de quantité de mouvement pour calculer une force, une distribution statistique de taille de gouttes, puis la mécanique des fluides et les ondes à travers l'instabilité de Rayleigh-Plateau.
Quelle est la moyenne du sujet de physique B PC 2016 aux concours X-ENS ?
Le rapport indique une note moyenne de 8,18/20 avec un écart-type de 3,42, sur 1327 copies, les notes s'étalant de 1,10 à 20.
Quelles sont les erreurs les plus fréquentes relevées par le jury sur ce sujet X-ENS physique B PC 2016 ?
Le jury relève une définition erronée du nombre de Reynolds, de nombreuses applications numériques sans unité, une confusion entre l'équation de Navier-Stokes et le principe fondamental de la dynamique, et une mauvaise interprétation de la vitesse de phase en fin de sujet.
Le sujet de physique B PC 2016 X-ENS est-il difficile ?
Oui, le rapport le décrit comme un sujet long et exigeant : plus de la moitié des candidats se situent sous 8/20 et la dernière partie, plus délicate, n'a été traitée de façon satisfaisante que par une poignée de candidats.
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